JPS632323B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物体の形状を３次元で測定する測定
装置に関する。更に詳しくは、物体の形状を非接
触で測定することのできる測定装置に関する。

従来より、３次元形状測定装置が知られてい
る。従来のこの種の測定装置は、プローブを対象
物に接触させ、或る固定点からプローブの接触点
までの距離を測定するようになつている。従来の
方式では、距離測定が接触式のため、低速である
こと、また対象物にプローブを接触させなければ
ならないので対象物が軟かいとその形状が変形し
てしまい測定できなくなるという欠点がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもの
で、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向にそれぞれ非接触形
の光学式スケール読取器を設け、かつＸ、Ｙ、Ｚ
軸、またはそのうち、２または１軸方向に位置制
御器を設けることにより、軟かい形状でも、高
速、高精度に測定することのできる３次元形状測
定器を実現したものである。以下、図面を用いて
本発明を詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す構成図であ
る。同図において、１はＸ軸方向の移動系、２は
Ｙ軸方向の移動系、３はＺ軸方向の移動系であ
る。これら移動系は、それぞれ各軸方向に自由に
摺動できる構造になつている。摺動機構としては
例えばボールベアリングやエアーベアリングと
DCモータなどの駆動源との組合せが考えられる。
更に、これら移動系にはそれぞれスケールが摺動
方向に沿つて設けられている。４は、Ｘ軸方向移
動系に設けられたスケールである。Ｙ軸方向及び
Ｚ軸方向の移動系についても、同様のスケールが
設けられている。該スケールには、反射面と透過
面が図に示すように規則正しく並んでいる。

５は、Ｙ軸方向移動系２の支柱に取り付けられ
かつ前記スケール４と近接して置かれた光学式ス
ケール読取器である。Ｙ軸方向移動系及びＺ軸方
向移動系についても、Ｘ軸方向移動系と全く同じ
構成のスケール及び光学式スケール読取器が設置
されている。６は、Ｚ軸方向移動系の先端部に設
けられた位置制御器である。７は、装置内に置か
れた測定対象物である。

先ず、前述した位置制御器の動作を説明する。
第２図は、位置制御器の具体的な一構成を示す図
である。同図において、１１は光源である。該光
源としては例えばレーザダイオードや発光ダイオ
ードが用いられる。L₁乃至L₃はレンズである。
１０は、対象物である。光源１１、レンズL₁及
びL₂は第１の光学系を成している。Ｍは、ハー
フミラーである。レンズL₁，L₃及びハーフミラ
ーＭは第２の光学系を成している。

１２は、ハーフミラーＭの透過光を受ける第１
の２分割ダイオードである。１３は、ハーフミラ
ーＭの反射光を受ける第２の２分割ダイオードで
ある。第２図で示すように、第１の２分割ダイオ
ード１２はハーフミラーＭの透過光の焦点の後に
配置され、第２の２分割ダイオード１３はハーフ
ミラーＭからの光の焦点の前に配置される。な
お、第２図に示す配置関係と逆の関係でも本発明
は成立つ。即ち、第１の２分割ダイオード１２を
焦点の前に配置し、第２の２分割ダイオード１３
を焦点の後に配置するようにしてもよい。このよ
うに２つの２分割ダイオードの位置を一方が焦点
の前で、他方が後に配置することにより後述する
第４図の特性を得ることができ、輝度分布があつ
ても被測定物から一定な距離に位置制御器を配置
できる。これら第１及び第２の２分割ダイオード
はそれぞれd₁，d₂及びd₃，d₄なる２個のフオトダ
イオードで構成されている。U₁，U₂は前記各フ
オトダイオードの電気的出力信号を受ける増幅器
である。１４は、増幅器U₁の出力を受けて前記
光源１１を駆動する駆動回路である。１５は、増
幅器U₂の出力を受けて該出力が一定となるよう
に、前記第１及び第２の光学系を移動させるサー
ボ系である。実際には、前記光学系が組み込まれ
た外箱自体を移動させることになる。このように
構成された位置制御器の動作を以下に説明する。

光源１１からの光は第１の光学系を通つて被測
定物の表面に光点を形成する。第１の光学系とは
光源１１→レンズL₂→レンズL₁の或る角度の投
射光軸を通つて被測定物１０の表面の光点まで至
る光路のことである。この光点から反射する光の
うち第１の光学系の投射光軸と異なる光軸の反射
光を得て、この反射光を第２の光学系に通しハー
フミラーＭにて第１、第２のビームに２分しこれ
を２個の２分割ダイオードに照射する。第２の光
学系とは、被測定物上の光点→レンズL₁→レン
ズL₃→ハーフミラーＭ→ハーフミラーＭを通過
した第１、第２のビームが２個の２分割ダイオー
ドに至る光路のことである。第３図は、２分割ダ
イオードの具体的な一構成を示す図である。第１
の２分割ダイオード１２の場合を例にとつて示し
てあるが、第２の２分割ダイオード１３について
も全く同様である。前記２分割ダイオードに光が
照射すると各フオトダイオードd₁〜d₄には光の強
さに対応した電気信号が発生する。この電気的出
力信号をそれぞれE₁〜E₄とする。

E₁〜E₄はそれぞれ続く増幅器U₁，U₂に入力す
る。増幅器U₁は、その出力をE₅とするとE₅が次
式で表わされるように動作する。

E₅＝E₁＋E₂＋E₃＋E₄ (1) 一方、増幅器U₂は、その出力をE₆とするとE₆
が次式で表わされるように動作する。

E₆＝（E₁＋E₃）−（E₂＋E₄） (2) 第４図は、E₁〜E₄とE₆の関係を示す図である。
同図ａは、輝度分布のない場合を、同図ｂは輝度
分布のある場合をそれぞれ示している。図におい
て、縦軸Ｅはそれぞれの出力を、横軸ｘは第２図
における対象物１０とレンズL₁間の距離ｘを示
している。同図ａにおいて、f₁はE₂又はE₄の特性
図を、f₂はE₁又はE₃の特性図をそれぞれ示してい
る。f₃は（E₂＋E₄）の特性図を、f₄は（E₁＋E₃）
の特性図をそれぞれ示している。f₅はE₆の特性図
である。

同図ｂにおいて、f₁₀はE₂の、f₁₁はE₄の、f₁₂は
（E₂＋E₄）のそれぞれ特性図である。f₁₃はE₃の、
f₁₄はE₁の、f₁₅は（E₁＋E₃）のそれぞれ特性図で
ある。f₁₆はE₆の特性図である。ａ図及びｂ図を
比較してわかるように、E₆＝０となるｘの値は
両者ともx₀となり輝度分布のある無しに拘らず一
定となる。このように輝度分布のある無しに拘ら
ず対象物１０とレンズL₁の距離Ｘの値が一定と
なるのは、前記した互いに光軸が異なる第１と第
２の光学系を設けているからである。即ち、２つ
の光学系の光軸が異なつているので被測定物１０
とレンズL₁までの距離Ｘが変化すると、被測定
物表面の光点→レンズL₁→レンズL₃→ハーフミ
ラーＭをそれぞれ通る光線の角度が変化する。従
つて第１の２分割ダイオード１２に照射される光
量がダイオードd₁とd₂とで異なつてくる。

これを第３図で説明するとダイオードd₁とd₂の
中間に照射されていた反射ビームのスポツトが、
被測定物１０とレンズL₁までの距離Ｘが変化す
るとダイオードd₁あるいはダイオードd₂側へ移動
するのである。

第２の２分割ダイオード１３でも同様にしてダ
イオードd₃とd₄に照射される光量が異なつてく
る。このようなことから、各ダイオードd₁〜d₄の
出力は距離Ｘに対して第４図のようになり、これ
らダイオードの出力E₁〜E₃に演算を加えること
により輝度分布にかかわらず被測定物から一定な
距離に位置制御器を配置できるのである。従つ
て、第２図において示すサーボ系１５が、増幅器
U₂の出力が０となるように光学系を移動させれ
ば、対象物１０とレンズL₁間の距離ｘは常に一
定値x₀をとることになる。即ち、第２図に示す装
置を位置制御器として利用でき、サーボ系１５は
摺動機構のボールベアリングやエアーベアリング
とDCモータ等の駆動源に相当する。ここでは１
軸だけ、つまりＺ方向にのみ上記位置制御器が付
加されているとして説明した。しかしながら、こ
の位置制御器を３台又は２台付加し３軸又は２軸
を同時に位置制御する場合や、１台で位置検出器
の方向をＸ、Ｙ、Ｚ方向にそれぞれ回転できる構
造としておくこともできる。また、位置制御器を
構成している位置検出器として従来の触接針を用
いる方式のものも利用することができる。

次に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のそれぞれの移動距離
を測定するための光学式スケール読取器について
説明する。第５図は、光学式スケール読取器の一
構成を示す図である。同図において、２１は可干
渉性光源である。該光源としては例えばレーザ等
が用いられる。２２は、光源２１の光出力を受け
るハーフミラーである。Ｌは、該ハーフミラーの
透過光を受けるレンズである。２３は、前述した
スケールである。該スケールには、反射面と透過
面が等間隔に並んでいる。

レンズＬを通過した光は、該スケールで反射す
る際、多モードの回折光を生じる。２４は、これ
ら多モードの回折光のうち、０次モードの光を阻
止するストツパである。２５は、ハーフミラー２
２の反射光を受ける衝立である。Ｓは、該衝立に
生じた干渉縞である。S₁，S₂は、これら干渉縞の
うち互いに隣接して生じた干渉縞である。d₅乃至
d₈は、これら干渉縞間にそれぞれ90゜ずつ位相を
ずらして配置された受光素子である。受光素子と
しては前記d₁〜d₄と同様、フオトダイオードが用
いられる。

Ａ乃至Ｄは、前記受光素子d₅〜d₈の出力を受け
るバツフア増幅器である。２６は、該バツフア増
幅器のそれぞれの出力P_A〜P_Dを受けて、前記ス
ケール２３の移動距離及び移動方向を示す信号を
出力する制御器である。該制御器は、前記した信
号の他に受光素子d₅〜d₈の信号出力に対応した制
御信号も出力している。２７は、この制御信号出
力を受けて、該制御信号の値が一定となるように
前記光源２１を駆動する駆動回路である。OUT
１は、スケール２３の移動距離に対応した信号を
出力する出力端子である。OUT２は、スケール
２３の移動方向を示す信号を出力する出力端子で
ある。このように構成された装置の動作を以下に
説明する。

光源２１から発射された光は、続くハーフミラ
ー２２で一部が反射し残りは通過する。この通過
した光は、続くレンズＬによつて集光される。集
光された光は、スケール２３に入射し入射した光
の一部は反射する。このとき、スケール２３は反
射形の回折格子として働き、光が反射する際に、
０次から±ｎ次（ｎは整数）までの多モードの回
折が生じる。これら多モード回折光のうち、０次
モード光即ち単なる反射光はストツパ２４によつ
て阻止される。回折した反射光は、再びレンズＬ
によつて集光される。このとき、該レンズの開口
比を適当に選んでおけば、±２次モード光以上の
光の通過を阻止することができる。

従つて、レンズＬを通過する光は±１次モード
光のみとなる。第５図の破線で示す光は±１次モ
ード光を、一点鎖線で示す光は−１次モード光を
示す。この±１次モード光は、続くハーフミラー
２２で一部が反射する。反射した光は互いに干渉
し合つて衝立２５に干渉縞Ｓを生じさせる。互い
に隣り合つた干渉縞S₁，S₂に配置された受光素子
d₅〜d₈は、光の明暗に応じた電気信号を発生させ
ている。

今、光源２１から可干渉性の光が照射されてい
る状態で、スケール２３を或る方向に移動させた
とする。このとき、受光素子d₅〜d₈に入力する光
は、スケールの格子ピツチと対応したピツチの周
期的明暗を生じる。これら受光素子は、前述した
ようにそれぞれ90゜ずつ位相がずれた位置に取り
付けられているので、その出力はそれぞれ90゜ず
つ位相のずれた正弦波となる。これら出力は、そ
れぞれ続くバツフア増幅器Ａ〜Ｄに入力する。Ａ
〜Ｄは、入力信号を適当な信号レベルに増幅する
とともにインピーダンス変換を行う。

制御器２６は、増幅器Ａ〜Ｄの出力P_A〜P_Dを
受けて出力端子OUT１に（P_A−P_C）に対応した
パルスを出力する。OUT１から出力されるパル
スの数は、スケール２３の移動距離に対応したも
のとなる。また、制御器２６の他の出力端子
OUT２からは、（P_A−P_C）と（P_B−P_D）の位相
差を利用してスケール２３の移動方向を示す信号
が出力される。該信号の出力形式としては、例え
ばスケールが右方向に移動したときを“０”に、
左方向に移動したときを“１”にそれぞれ対応さ
せることが考えられる。或いはこの逆でもよい。
出力端子OUT１及びOUT２からの両出力を利用
することにより、本装置を光学式スケール読取器
として利用することができる。

第６図は、光学式スケール読取器の他の実施例
を示す構成図である。同図は、第５図で用いたス
トツパ２４の代わりに絞り３０を用いて、−１次
モード光又は＋１次モード光のいずれか一方を阻
止し、阻止されなかつた方のモード光と０次モー
ド光との間に生じる干渉縞を利用したものであ
る。第５図、第６図に示す装置においては、干渉
縞Ｓの位置はレンズＬとスケール２３間の距離ｈ
が変化しても動かない。従つて、装置の寸法精度
にさほど注意を払う必要がない。

以上、位置制御器及び光学式スケール読取器に
ついてその動作を説明した。このような装置を用
いた第１図に示す３次元形状測定装置の動作を以
下に説明する。

先ず、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向移動系を初期点
にセツトする。このとき、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向の位
置データを格納している内蔵のメモリの内容もそ
れぞれ０に初期値化される。この状態から、対象
物７の形状の測定を開始する。移動系が、対象物
７に沿つて移動すると、移動系の移動距離が計測
されて内蔵のメモリに格納される。Ｚ軸方向の寸
法を計測する場合、例えば或る段差の寸法を計測
する場合を考える。位置制御器６は、前述したよ
うに、対象物と位置制御器自身との間の距離を常
に一定となるように保持する。従つて、上段から
下段にＺ軸移動系が移動する場合も、対象物の表
面からの距離は不変である。従つて、Ｚ軸移動系
が移動した距離は、正確に段差の寸法を表わして
いることになる。この間Ｚ軸の移動距離を計測す
る光学式スケール読取器は、非接触で前記段差を
計測してメモリに測定データを送り込む。

このような動作を繰り返すことにより、対象物
７の形状は全て測定される。測定データは全て内
蔵のメモリに格納されている。これらデータは、
必要に応じて外部計算機に出力することができ
る。計算機は、とり込んだデータを処理して出力
装置に出力することができる。出力装置として
は、例えばＸ−ＹプロツタやCRT等が用いられ
る。また、本装置を製品の外形のGO−NOGO判
定装置として用いることができる。例えば、許容
範囲内のデータを内蔵のメモリに格納しておき、
このデータと被測定物の測定値とを比較して被測
定物の良否を判定するものである。本装置は、全
て非接触の計測装置であるので、外力を加えると
変形する恐れのある物体の形状でも難なく計測す
ることができる。また高速・高精度で形状を測定
できる。なお、本発明の目的を達成するためには
以上に説明した光学式スケールと位置制御器を欠
くことはできない。即ち、軟かい形状の物体であ
つても、高速、高精度、かつ非接触で３次元形状
を測定するためには光学式スケールと位置制御器
は非常に有効である。

上述した光学式スケールは、干渉縞Ｓを利用す
るものであり、しかも、干渉縞Ｓの位置は第５図
に示す距離ｈが変化しても動かないので、非常に
高い精度でスケールの移動距離を測定することが
できる。

また位置制御器は対象物の表面から一定な距離
を保つて移動することができる。即ち、非接触で
対象物の形状を測定できる。しかも、対象物の表
面に、例えば斑の模様があるため反射光に輝度分
布があつても、これに影響されることなく対象物
までの距離を正確に保つことができる。

また、光学式スケールも位置制御器も測定情報
を受光素子で電気信号に変換して直ちに算出して
いるので、高速に物体の形状を測定することがで
きる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば
非接触で物体の形状を測定することのできる３次
元形状測定装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す構成図であ
る。第２図は、位置制御器の一構成例を示す図で
ある。第３図は、２分割ダイオードの一構成例を
示す図である。第４図は、第２図に示す装置の特
性を示す図である。第５図は、光学式スケール読
取器の一構成例を示す図、第６図は他の構成例を
示す図である。 １……Ｘ軸方向移動系、２……Ｙ軸方向移動
系、３……Ｚ軸方向移動系、４……スケール、５
……光学式スケール読取器、６……位置制御器、
７……対象物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ
   摺動自在の移動系を持ち、これら移動系のそれぞ
   れに対して前記各方向の移動系の移動距離を測定
   する測定手段を具備する３次元形状測定装置にお
   いて、 前記移動距離を測定する測定手段として、 可干渉性光源と、この光源の光出力を受けるハ
   ーフミラー２２と、このハーフミラーの通過光を
   受けるレンズＬと、このレンズの通過光を受ける
   反射面及び透過面が等間隔で並んだ目盛格子をも
   つスケールと、このスケールの反射回折光のうち
   第１の特定モード回折光を阻止する阻止手段と、
   前記ハーフミラーを反射した第２の特定モード回
   折光により生じた干渉縞を受けてこの干渉縞に対
   してそれぞれ90゜ずつ位相をずらして配置された
   ４個の受光素子と、この受光素子のそれぞれの出
   力を受けて前記スケールの移動距離に対応した信
   号を出力する制御器２６と、からなる光学式スケ
   ール読取器を用い、 かつ、光源１１からの光をレンズL₁の或る投
   射光軸で対象物の表面に光点を形成する第１の光
   学系と、この光点から第１の光学系の投射光軸と
   異なる光軸の反射光を前記レンズL₁で受光しこ
   の受光ビームを集束するレンズL₃とこのレンズ
   を通過した受光ビームを第１、第２のビームに２
   分するハーフミラーＭとこの第１、第２のビーム
   をそれぞれ受光しこのビームの焦点位置に対して
   一方が前、他方が後に配置された２個の２分割ダ
   イオードで構成される第２の光学系と、前記２分
   割ダイオードのそれぞれの出力を受けてこれら出
   力の論理演算値が一定となるように前記第１及び
   第２の光学系を移動させるサーボ系とにより構成
   されて成る位置制御器をＸ、Ｙ、Ｚ軸のうち少な
   くとも１軸に備え、 位置制御器を測定対象物の表面から一定な距離
   に保ちつつ移動させ、この移動距離を前記光学式
   スケール読取器で読取ることで測定対象物の３次
   元形状を非接触で測定する３次元形状測定装置。